Представьте себе мощнейшее землетрясение, которое обрушивается на калифорнийское побережье вдоль разлома Сан-Андреас, одной из самых сейсмически активных зон мира. Ученые давно предсказывали этот «Большой Разлом». Но вместо хаоса на улицах — спокойствие, отчасти благодаря продвинутой системе раннего оповещения, которая дала людям достаточно времени, чтобы укрыться в специально спроектированных, устойчивых к толчкам зданиях.

Именно такое будущее, где землетрясения встречают подготовкой, а не паникой, стремится создать Дэвид МакКаллен, старший научный сотрудник Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Его работу поддерживает Управление кибербезопасности, энергетической безопасности и реагирования на чрезвычайные ситуации Министерства энергетики США.

МакКаллен возглавляет команду исследователей из Беркли и Национальной лаборатории Ок-Риджа. Их проект посвящен разработке самых инновационных на сегодняшний день симуляций для изучения динамики землетрясений. Эти моделирования с потрясающей детализацией показывают, как геологические условия влияют на силу подземных толчков и как эти сложные движения грунта воздействуют на здания и инфраструктуру. Данные уже передаются научному и инженерному сообществу, чтобы углубить понимание сейсмического поведения и улучшить проекты сейсмостойких сооружений.

Наша цель — смоделировать землетрясение от начала до конца и отследить, как сейсмические волны распространяются сквозь земные слои, — говорит МакКаллен. — Мы хотим понять, как эти волны взаимодействуют со зданиями и критически важной энергетической инфраструктурой, чтобы оценить их уязвимость и сделать все возможное для подготовки до следующего удара стихии.

Исследование стартовало в 2017 году в рамках проекта экзафлопсных вычислений — крупнейшей в истории Министерства энергетики инициативы по разработке программного обеспечения. Раньше у ученых просто не было вычислительной мощности, чтобы моделировать землетрясения в конкретных локациях с достаточной точностью. Теперь у команды МакКаллена есть EQSIM — специальный код для моделирования землетрясений.

EQSIM позволяет увидеть, как сейсмические волны ведут себя в разных грунтах и рельефах — горах и долинах, которые могут усиливать или гасить энергию толчков. Затем эти данные можно применить к моделям зданий, водопроводов или электросетей, чтобы увидеть, как они выдержат нагрузку и где вероятнее всего повредятся.

Мы совершили огромный прорыв в вычислениях, — объясняет МакКаллен. — Раньше мы опирались на эмпирические данные прошлых событий. Теперь экзафлопсные симуляции дают нам гораздо более точную картину распределения движений грунта в регионе. Мы видим, что это поведение гораздо сложнее и динамичнее, чем мы думали.

Почему место решает все

Интересно, что иногда меньшие по магнитуде землетрясения могут нанести больший ущерб, чем мощные. Все зависит от геологических условий. Сила толчков определяется тремя ключевыми факторами:

1. Тип разлома: как именно смещаются тектонические плиты.
2. Состав породы и грунта: твердая скала, мягкая почва или fractured (треснувшая, поврежденная) порода.
3. Рельеф поверхности: горы, долины, сами здания.

Чтобы понять, как землетрясения ведут себя в разных геологиях, EQSIM моделирует три основные сейсмические зоны США: район залива Сан-Франциско, бассейн Лос-Анджелеса и зону Нью-Мадрид на востоке Среднего Запада.

• Залив Сан-Франциско с его многочисленными разломами, включая опаснейший Хейвордский.
• Бассейн Лос-Анджелеса, где возможен «Большой Разлом» магнитудой 7.8+.
• Зона Нью-Мадрид, где в 1811-1812 годах произошли самые разрушительные землетрясения к востоку от Скалистых гор, заставившие, по рассказам, Миссисипи повернуть вспять.

Землетрясения на востоке в некоторых случаях могут быть опаснее, чем на западе, — отмечает МакКаллен. — Не потому что на западе больше гор, а потому что грунты на востоке более «компетентные» — плотные и менее поврежденные. Они передают сейсмическую энергию дальше и эффективнее. Если бы крупное землетрясение повторилось сегодня, под ударом могли бы оказаться Нэшвилл, Мемфис и Луисвилл.

Мощь экзафлопсных вычислений

Команда EQSIM может удаленно работать на суперкомпьютере Frontier в Ок-Ридже, самом мощном в мире для открытой науки. Его производительность — 2 экзафлопса, что в тысячу раз быстрее систем предыдущего поколения. Это позволяет создавать модели регионов размером в сотни километров, разбивая их на сетку с ячейками в несколько метров. Крупнейшие симуляции включают до 500 миллиардов таких точек, фиксируя невероятные геологические детали.

Эта вычислительная мощность позволяет нам видеть, где фокусируется энергия сейсмических волн, как они проходят сквозь разные слои породы, — говорит МакКаллен. — Мы ясно видим, как эти движения грунта трансформируются в риски для зданий, и картина каждый раз уникальна.

Симуляции показывают четкую закономерность:

• Низкие, жесткие здания  (1-2 этажа) наиболее уязвимы к быстрым, высокочастотным толчкам в районах с твердыми породами.
• Высокие, гибкие здания рискуют больше в зонах с мягким грунтом, где низкочастотные волны усиливаются и дольшат дольше.

Пример — землетрясение 1980 года близ Ливерморской национальной лаборатории, расположенной в sedimentary basin (осадочном бассейне). Оно нанесло огромный ущерб. «Энергия волн попадает в такие бассейны и резонирует там, как желе в стакане, — объясняет МакКаллен. — Волны продолжают колебаться еще долго после основного толчка».

Объем данных колоссален: результат 90-секундной симуляции — это около 3 петабайт, что сравнимо с 750 тысячами полнометражных фильмов. «Раньше мы просто не смогли бы запустить такие расчеты. Теперь мы делаем это практически рутинно», — признается ученый.

От кода к практическому применению

Успех симуляций уже дает практические результаты. Вместе с Тихоокеанским центром инженерных исследований землетрясений команда создает открытый веб-инструмент. Он позволит инженерам и архитекторам тестировать свои проекты на реалистичных моделях грунтовых толчков для тысяч локаций.

Масштаб и детализация данных EQSIM предлагают беспрецедентное понимание регионального сейсмического поведения, — говорит Халид Мосалам, директор центра. — Это позволяет нам разрабатывать более безопасные и устойчивые проекты, основанные на точной науке.

Кроме того, данные используются для улучшения сейсмических приборов и систем экстренного реагирования. «Самое лучшее в этих симуляциях — нам не нужно ждать следующего „Большого Разлома“, чтобы понять, как он на нас повлияет, — подводит итог Дэвид МакКаллен. — Если кому-то понадобится информация о землетрясении магнитудой 7.5 в этих регионах, у нас уже есть исчерпывающие данные».

Реальная польза этого исследования многогранна и выходит далеко за рамки академического интереса.

• Во-первых, оно кардинально меняет подход к сейсмическому риску. Вместо реактивных мер после катастрофы мы получаем инструмент для проактивного, прецизионного анализа уязвимости каждого конкретного квартала, здания или элемента инфраструктуры. Это позволяет оптимально распределять ограниченные ресурсы на усиление именно тех объектов, которые в этом больше всего нуждаются.
• Во-вторых, данные симуляций станут «золотым стандартом» для инженеров-проектировщиков. Они смогут создавать не просто „сейсмостойкие“ здания по общим нормативам, а конструкции, оптимизированные под специфический „почерк“ землетрясений именно в этой точке — с учетом частотного состава волн, направления и длительности толчков. Это прямой путь к повышению безопасности и, возможно, к снижению стоимости строительства за счет отказа от избыточного перестрахования.
• В-третьих, для служб быстрого реагирования и городского планирования это кладезь информации. Можно заранее смоделировать последствия, выявить вероятные точки отказа транспортных, энергетических и водных сетей, спланировать логистику спасательных операций и эвакуации. В долгосрочной перспективе это может спасти тысячи жизней и сэкономить миллиарды долларов.

Основное критическое замечание к подобным исследованиям лежит в области верификации и полноты исходных данных. Несмотря на невероятную детализацию, симуляция — лишь цифровая модель реальности. Ее точность полностью зависит от качества и полноты введенных в нее геологических данных (трехмерной карты недр, свойств каждого слоя грунта). Эти данные зачастую фрагментарны или получены с определенной погрешностью.

Кроме того, модель EQSIM, сколь бы сложна она ни была, все равно содержит упрощения физических процессов, например, поведения грунтов при предельных нагрузках (явление нелинейности). Самое же главное — модель пока не может предсказать триггер, то есть точный момент начала разрыва. Она блестяще отвечает на вопрос «что будет, если?», но не на вопрос „когда?“. Таким образом, риск существует в том, что общество и власти, впечатлившись детальными визуализациями, могут переоценить предсказательную силу технологии в ущерб развитию других критически важных направлений, таких как сети физических датчиков и системы оперативного оповещения.

Ранее мы разбирались, как происходят землетрясения.